Цикл работ по моделированию токовых слоев в космической плазме с плоской и цилиндрической конфигурацией (И.Ю. Васько, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, А.А. Петрукович):

В цикле работ проводится исследование токовых слоев различных конфигураций в хвостах магнитосфер планет Солнечной системы: плоских (в применении к магнитосфере Земли) и цилиндрически симметричных (в применении к магнитосферам дальних планет Солнечной Системы – Урана, Нептуна), а также процессов ускорения и переноса заряженных частиц в них.

1. Malova, H., V. Yu. Popov, O. V. Mingalev, I. V. Mingalev, M. N. Mel'nik, A. V. Artemyev, A. A. Petrukovich, D. C. Delcourt, C. Shen, and L. M. Zelenyi, Thin current sheets in the presence of a guiding magnetic field in the Earth's magnetosphere, J. Geophys. Res., VOL. 117, A04212, doi:10.1029/2011JA017359, 2012.

Построение самосогласованной теории относительно тонких токовых слоев (ТТС) в бесстолкновительной плазме с учетом сдвиговой компоненты магнитного поля. Рассмотрен общий случай глобальной шировой компоненты B_y=const. Проведен анализ плазменных равновесий в рамках аналитической и численной моделей, а также сравнение с экспериментальными данными спутников CLUSTER. Показано, что, по сравнению со случаем B_y=0, характер взаимодействия «частица – ТТС» существенным образом меняется в присутствии магнитного шира- «серпантинные» отрезки траекторий ионов в нейтральной плоскости становятся более запутанными, что приводит к утолщению токового слоя. Показано, что асимметрия профилей магнитного поля, плотности плазмы и токов является характерным свойством ТТС в присутствии постоянного магнитного поля B_y.

2. Мингалев О.В., И.В. Мингалев, М.Н. Мельник, А.В. Артемьев, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, Шен Чао, Л.М. Зелёный, Кинетические модели токовых слоев с широм магнитного поля, Физика Плазмы, Т. 38, №4, C. 329-344, 2012;

(Engl. Transl.: O. V. Mingalev, I. V. Mingalev, M. N. Mel’nik, A. V. Artemyev, H. V. Malova,

V. Yu. Popov, Shen Chao, and L. M. Zelenyi, Kinetic Models of Current Sheets with a Sheared Magnetic Field, ISSN 1063_780X, Plasma Physics Reports, 2012, Vol. 38, No. 4, pp. 300–314. © Pleiades Publishing, Ltd., 2012).

Многочисленные спутниковые измерения указывают на то, что в хвосте магнитосферы Земли могут формироваться тонкие токовые слои (толщиной порядка одного или нескольких ларморовских радиусов ионов), в которых нормальная компонента магнитного поля (B_z) практически постоянна, а другие его компоненты (тангенциальная B_x и сдвиговая B_y) зависят от поперечной координаты (z). Плотность тока в таком слое также имеет две самосогласованные компоненты (j_x и j_y, соответственно), а силовые линии магнитного поля деформированы, и не лежат в одной плоскости. Для исследования таких фактически одномерных равновесных токовых конфигураций были использованы две кинетические модели - численная, основанная на методе крупных частиц, и аналитическая. Результаты расчетов показывают, что для одних и тех же входных данных могут существовать две различные моды самосогласованного сдвигового магнитного поля B_y, и соответственно, две конфигурации тонкого токового слоя. Для антисимметричной (относительно z–координаты) моды B_y магнитные силовые линии закручены внутри слоя, однако профили плотности плазмы, компоненты j_y плотности тока и компоненты B_x магнитного поля практически мало отличаются от случая с магнитным полем без сдвига (B_y=0). Для симметричной B_y моды магнитные силовые линии лежат на изогнутой поверхности, при этом плотность плазмы в слое мало изменяется, а толщина токового слоя становится вдвое больше. Анализ зависимости структуры токового слоя от потоковой анизотропии демонстрирует существенное утоньшение слоя при уменьшении отношения тепловой и дрейфовой скоростей плазмы, что обусловлено динамикой квазиадиабатических ионов. Показано, что результаты аналитической и численной моделей хорошо согласуются друг с другом. Обсуждаются вопросы применения данной модели к описанию токовых слоев на магнитопаузе и вблизи областей пересоединения.

3. Васько И.Ю., Попов В.Ю., Кинетическая модель двумерного цилиндрического токового слоя, Вестник МГУ, 2012. (Engl.Transl. ISSN 0027_1349, Moscow University Physics Bulletin, 2012, Vol. 67, No. 1, pp. 37–42. © Allerton Press, Inc., 2012).

Работа посвящена построению класса стационарных решений системы уравнений Власова-Максвелла в виде двухмерных цилиндрических токовых слоёв с током вдоль азимутального направления . Магнитное поле такой системы обладает двумя компонентами . Математически задача сводится к нахождению решений нелинейного уравнения в частных производных для функции : , где . Методами теории групп найдено трехпараметрическое семейство точных решений этого уравнения и рассмотрены асимптотики решений при больших значениях и вблизи оси цилиндрической системы координат (). Обсуждается применение построенного класса решений для описания токовых слоёв, наблюдаемых в магнитосферах планет солнечной системы, магнитные диполи которых лежат в плоскости эклиптики.

4. Vasko I.Y., H.V. Malova, A.V. Artemyev, L.M. Zelenyi, Particle acceleration at Neptune magnetotail, Planetary and Space Science, in press, 2012.

Прецессия магнитного диполя Нептуна приводит к сильным динамическим изменениям его магнитосферы, в результате чего она периодически или принимает форму, близкую к земной, или устанавливается в положение «полюсом вперед». В настоящей работе проведено исследование влияния превращений магнитной топологии на процессы ускорения и транспорта заряженных частиц вдоль хвоста магнитосферы. Получены энергетические спектры для протонов, проникающих из солнечного ветра и для тяжелых ионов N⁺, приходящих из ионосферы Нептуна. Показано, что протоны и тяжелые ионы ускоряются, соответственно, до энергий ≈ 300 кэВ и ≈ 150 кэВ. Было показано, что преобразование магнитосферы из положения «полюсом вперед» до земного типа способствует более активным процессам ускорения, чем в обратном направлении, - так, больше частиц ускоряется и покидает хвост магнитосферы. Обнаружилось также, что частицы покидают хвост, главным образом, через северное полушарие. Проведено сравнение теоретических выводов с экспериментальными данными и найдено качественное сходство в динамике плазмы хвоста.

5. Зеленый Л.М. , В.Ю. Попов и Х.В. Малова, О влиянии продольной неоднородности магнитного поля на структуру тонких токовых слоев в космической плазме, Ученые Записки Физического факультета МГУ, принято к печати, 2012.
Построена и исследована модель сравнительно тонкого токового слоя с учетом продольной неоднородности поперечного магнитного поля B_z. Показано, что нелинейная динамика заряженных частиц плазмы, зависящая от распределения магнитного поля в тонких токовых слоях, полностью определяет их равновесную структуру. Пролетные ионы являются основными носителями тока в системе и поддерживают практически одномерный токовый слой. В то же время квазизахваченные и захваченные протоны, благодаря сохранению продольных адиабатических инвариантов, перераспределяются вдоль токового слоя таким образом, что их концентрация становится выше в области с более сильным поперечным магнитным полем, а создаваемые ими локальные токи частично компенсируют ток носителей. Электронные токи оказываются более сильными на противоположном крае токового слоя, где величина поперечного магнитного поля меньше). Вследствие этого в этой области профиль плотности тока имеет слоистую структуру: узкий электронный ток вложен в более широкий протонный ток, а вся эта конфигурация вложена в еще более широкий плазменный слой. Приложение полученных результатов к объяснению спутниковых данных обсуждается.